现代光学测试实验报告

现代光学测试技术实验报告
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课程名称：现代光学测试技术
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现代光学测试技术实验报告
一、实验目的
1、了解散斑的性质及特点
2、了解散斑干涉、剪切散斑干涉、DIC 、和条纹投影技术的具体应用
3、通过分析优劣更好地学习现代光学测试技术的相关内容 二、实验原理
● 散斑
1、散斑的定义
当一束激光照射到物体的粗糙表面(例如铝板)时，在铝板前面的空间将布满无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。

（如图1所示）
2、要形成散斑且质量较好必须具备的条件： （1）有能发生散射光的粗糙表面 （2）入射光线的相干度要足够高，如：激光 （3）如使用激光粗糙表面深度须大于入射光波长
3、散斑的分类
由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的，称为直接散斑。

(如图2所示) 经过一个光学系统，在它的像平面上形成的散斑，称为成像散斑，即主观散斑。

（如图3所示）
图2 客观散斑原理图
图1 散斑图像
图3 主观散斑原理图
4、散斑的应用
散斑携带了散射面的丰富信息，可以通过散斑的性质来推测物体表面的性质，是实验应力分析方法的一种，用于测取物体的位移、应变。

由于这种办法的无损、快速等诸多优点，它被广泛应用于工业控制的缺陷检测、医学的光活检等领域，且受到越来越多的关注。

●三角法测量原理
图4 激光三角法测量原理图
如图所示，θsin z a a
b
M ⋅∆=∆∆∆=
z K z s i n M b ∆⋅=∆⋅⋅=∆⇒θ 则K
b
z ∆=∆，其中θsin M K ⋅=
物体变形前和变形后的光强分布为：
()()()()x y x P x y x P f ,2,,2cos y x b y x a I f π
π=∆⎭
⎬⎫⎩⎨⎧+=，，
()()()()()[]()()()[]y x z y x k -x ,2,y x z y x k -x ,2cos y x b y x a I c c ，，，，，，y x P y x P π
π=∆⎭⎬⎫⎩⎨⎧+=
()()
()()()
()()y x K -y x z y x z y x K y x z y x P y x k 2-c
f c f ，，，，，，，∆∆=
∴=⋅=
∆∆π
()y x K ，可以通过实验标定得到，由此，则可知物体的变形或位移
● DIC 技术
图5 物体变形图像追踪
因为散斑分布是随机的，所以每一点和它周围的散斑是不一样的，我们在相关运算过程中，可以将变形前和变形后的散斑图像分割成很多网格，每一个网格就是一个相应的子集：这样，我们就可以以这个子集为载体，分析物体的相应的位移信息，将所有的子集进行计算，就可以得到相应的位移场：
在数字图像相关算法中，我们将变形前后的两幅散斑图分别设为F （x ，y ）和G （x ，y ），劝、数字图像相关基本思想是在F （x ，y ）中找到一个子区，通
过子集中的灰度信息，按照一定的搜索方法在变形后的图像G （x ，y ）进行相关计算，找到与样本子集相对应的区域，通过分析子集中的位置和形状变化，可以得到物体在该点的位移和应变信息。

图6 物体变形示意图
三、实验内容 1、散斑干涉技术
()Cw Bv Au 2++=
∆λ
π
φ，其中αααcos 1C sin B sin A +===，， ()[]w cos 1v sin u sin 2⋅++⋅+⋅=
∆∴αααλ
π
φ
本实验中，激光在XOZ 平面内
()[]w cos 1u sin 2⋅++⋅=∆∴ααλ
π
φ （1-1）
图7 实物坐标系
§1-1 若要求面内位移u
单束激光照射时，则令：0cos 1=+α，πα=（不能实现）
∴要用两束激光照射，另一束为： ()()()[]w -cos 1u -sin 2⋅++⋅=
∆∴ααλ
π
φ （1-2）
联立公式（1-1）（1-2）得：αλ
π
sin 4u =
同理：αλ
π
sin 4u v =
=
§1-2 若要求面外位移w 则令：0=α，
()[]w 4w 0cos 1v 0sin u 0sin 2λ
πλπ
φ=⋅++⋅+⋅=
∆
φπ
λ∆=4w
小结：传统的方法只能测周期性变化的震动，而散斑干涉技术可以测位移，在一定距离下灵敏度高，但是如果距离太小，条纹密度过大，其抗干扰能力比较差。

2、剪切散斑干涉技术
相对于散斑干涉技术，它有以下优点： §2-1 光路比散斑干涉简单，抗干扰能力强
§2-2 抑制共模干扰，对刚体位移不敏感，对应变敏感
()[]()[]
()()⎥⎦⎤
⎢⎣⎡∂∂⋅
++∂∂⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆∆⋅++∆∆⋅∆=∆⋅++∆⋅=∂
⋅++⋅=∆∴x w cos 1x u sin x 2x w cos 1x u sin x 2w cos 1u sin 2w cos 1u sin 2ααλπδααλπααλπ
ααλ
π
φ ，x w
x u ∂∂∂∂可求
同理可得：
不可求可求不可求可求不可求可求z
w
y
w
x
w z v
y v
x v z u
y u
x u ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ 小结：剪切散斑技术中所求得到的是空间导数，事实证明，它是对复合材料进行无损检测一种行之有效的方法，因为材料内部变形可以通过外部变化表现出来。

3、DIC 技术
DIC 技术，即数字图像相关技术
在本实验中，进行了拉伸实验演示，并在软件部分，对采集的图像进行取窗格等一系列处理，通过求卷积、相关系数等运算确定窗格之间的相关度，匹配出最大的一组。

图8 变形前后示意图
在这里给出教材中的一种算法，定性说明：
()()()()()∑∑∑∑∑∑======∆+∆+∆+∆+⋅=
∆∆n 0x n 0
y n 0x n
y 22
2
1
n
0x n
0y 2
1
'
y y x x l y x l y y x x l y x l y x C ，，
，，
，
表1 ()y x I ， 表2 ()y y x
x I ∆+∆+，
则()1y x C '=∆∆，
说明物体变形前后两窗格相关度为1， 物体变形后即为它本身。

小结：相机空间和物理空间怎么建立联系？
这是坐标系统一的问题，在实验开始前用相机标定板（棋盘格）进行标定，也可以称之为一种算法矫正。

4、条纹投影法 §4-1 理论基础
三角成像公式z k b ∆⋅=∆
()→=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡∆+=ds 2x -x P 2B A I λπφπ，
()()(
)(
)φγφcos 1I cos a a 2a a U U U U U U U U I 021222
1*
2
*
1*
2121⋅+=++=+=++=∙=*
求()y x ,B A φ
()()[]⎪
⎭⎫ ⎝⎛∆⎪⎭⎫ ⎝
⎛
∆+=-∆+=-∆++=+=2sin 2sin 2cos cos B I I Bcos A I Bcos A I ''φφφφφB ， 其中，φ来源于物体自身表面粗糙度，2
∆
来源于物体的形变 右=0，πn 2=∆；
左=0，πφn 22=∆
+，较复杂
缺陷：测量不精确
里面含有表面粗糙度信息，不准确
相位分辨率为2π，介于同心圆之间的某点相位值，可以通过插值方法估算，但不能准确得到。

§4-2 引进相移技术：
()
⎪
⎭⎫ ⎝⎛
++=++=⎪
⎭⎫ ⎝
⎛
++=+=23Bcos A I Bcos A I 2Bcos A I Bcos A I 4321πφπφπφφ
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛--=⇒
3124a r c t a n I I I I φ ， []ππφ，-∈
局限性：
1、不能实现动态测量物体
2、法线方向有误差
3、不知道物体本身绝对相位，只能取某参考点相位为0，然后计算其他点的相 对相位
相图是一组同心圆。